一款全新的高阻电桥检流计

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什么是电桥

电桥是一种经典的电阻精密测试手段。最简单的电桥就是单臂电桥，也叫惠斯通电桥，包含了4臂、一个电池和一个检流计：

其中R1和R2是比例臂，传统的电桥是按照1:1、1:10、10:1、100:1等方式可调，这样可以在很宽的范围内适应不同的测试电阻，例如R1=10k、R2=1k，这样用Rd=1M就可以测试Rx=10M，如果R1=100k、R2=1k，那么就是100：1了，用1M的Rd就可以测试100M的电阻，达到以小测大的目的。但是，这种方法也有弱点，就是灵敏度降低很多，得不偿失。我喜欢R1与R2相差不大的，这样R1和R2的分压点总是保持在E的一半左右（33%到66%），就能保持很高的灵敏度，见我的这里的第5贴：https://bbs.38hot.net/read.php?tid=27
Rx是被测电阻；
Rd是哑电阻，其阻值与Rx接近，可以调节，其以便电桥平衡；
G是检流计，当无电流流过后，则两臂电阻分压相等，即R1/R2=Rx/Rd，所以有：
Rx=Rd*R1/R2

电桥法之所以精密，是因为理论表达式中只与对比电阻Rd和一对分压比例有关，与外加电压E和检流计G无关。但是，对于低阻测试，这种电桥就很有局限了，因为接触电阻不可避免，被测电阻也都是4线的，此时要用到双臂电桥，又叫开尔文电桥。

对于高阻测试，这种电桥就不受接触电阻的限制了，因此理论上可以做得非常准确。不过，高阻桥测试高阻的精度受制于以下三个方面：
A、由于电阻阻值大，因此漏阻的影响就变大，因此发展出等电位屏蔽电桥。
B、检流计G的左右处于悬浮状态，这对低阻没什么，但高阻时的悬浮会造成干扰和杂散电容影响，因此发展出双电源电压比率电桥。
C、对检流计G的要求也更高了，传统的检流计已经无能为力，必须采用电子的、放大方式的。

前两点已经做得很好，就剩下检流计了。现在放大方式的都做的不太好，或则使用不方便。各厂家的检流计都是内部使用的，无资料可供参考。双电源电桥一般要借助外部商品检流计，同样具有笨重、使用不便的弱点。本文介绍了一款新型的、超高灵敏度、无需换档的检流计，解决了这个难题。

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什么是检流计

检流计英文叫Galvanometer，因此常用字母G来表示检流计。
其作用就是通过检测微小电流的存在，来判断电桥是否平衡。
检流计说穿了，就是一个高灵敏的表头。有直接用指针的：


也有用光反射的：


这种检流计，从名字上看是检测微小电流用的，磁电结构，内阻小，比较适合最早的那种1欧标准电阻测试场合，但实际上说成检测微小电压更合适。检流计的一个重要指标是分度值，就是流过多大电流能引起最小的一格的偏转。从国内的检流计型号看，灵敏度有比较低的也有比较高的，但高灵敏的内阻也大，到头来其电压灵敏度都是零点几微伏，这也与1V下零点几ppm对应，也限制了检零精度的进一步提高。后来由于测试的范围的扩大，要求高灵敏的、内阻高的检测手段，因此带有放大方式的“检流计”应运而生，名字也改为指零仪（Null detector）了。代表的有吉时利的155：


和Fluke的845A：


这样的检流计，分成好多档位，测试电压可以抵达1uV满度，输入阻抗大约1M，因此可以测试1pA（满度）。

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检流计和指零仪的弱点

电桥法测电阻离不开检流计/指零仪，而传统的检流计具有脆弱、换档使用麻烦、灵敏度低的几个问题。

A、脆弱。
传统检流计一般是悬丝结构，经受不起冲击，也绝不能通过大电流，否则被打坏或烧坏。这种检流计电压灵敏度相对很高，满度电压有的才是微伏级，因此几个毫伏早就大大超过量程，加上伏级电压很可能就烧坏了。由于满度电压太低，因此也不能用两个二极管进行保护。

B、电流灵敏度低。
传统检流计最初是测试低阻的，此时需要检流计能分辨尽可能低的电压差异，因此检流计必须具有低内阻的特性，一般是几百欧甚至几十欧，造成电流灵敏度低。国产AC15系列内阻最高的是/1型的，内阻1500欧，分度值是0.3nA，是1G电阻在0.3V下的电流，因此这样的检流计对于高阻就无能为力了。

C、使用麻烦。为了能兼顾粗看和精测，检流计都带有很多档的灵敏度调节开关，以便在不同时候使用。也有的是具备粗按钮和精细按钮，不能长时间加电，实用中需要先改变电桥然后再接合检流计观察，调节电桥的时候观察不到检流计，实际上是盲调，造成调节平衡很不利。

D、方便性差。
指零仪尽管具有内阻高、灵敏度高的好处，但是用起来很麻烦，档位太多。

E、易受干扰。
带放大的指零仪体积大、交流供电，引线连接还都是分别的接线柱（不是同轴屏蔽），因此容易引入干扰。

F、电流分辨和噪音性能一般。
例如Fluke 845A，内阻1M（最低档），远不如短路法好。其最低档尽管可以测试1pA，但噪音已经很大了，达到0.2pA，指针无规则摆动太大。

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高阻桥对检流计的要求

高阻桥，是用来测试高阻值电阻的，尽管高阻的精度低些，但流过的电流非常小，有电阻偏差后电流就更小了，因此对检流计提出了对应要求：

A、电流灵敏度超高
例如100V的测试电压下，100G的电阻偏离了0.01%，那么等价为0.005V的电压接上一个50G的电阻加到了了检零计之上：

如果检零计是一个理想的电流表（短路法测试），那么只有0.1pA的电流可供检测，这已经非常小了，因此要求电流灵敏度超高。

B、电压灵敏度要求不太高
同上电路，如果检零计是一个理想的电压表，输入阻抗无穷大，那么可以测试出5mV的电压。5mV其实已经很大了，也远大于常见的运放的Vos，因此无需特别考虑。

C、最好是不换档
换档会引起机械振动或机械位移，也会让仪器重新软开启，不仅操作麻烦、费时，而且会引起不稳定因素和磨损，应尽量避免。

D、短路法测试
由于高阻有分布电容效应，时间常数大，电压改变后电容要重新充放电，这样势必花费时间去稳定。例如测试1T电阻，即便有3pF的杂散电容，时间常数也要3秒。考虑到必须等待多个时间常数后才能测试，那就要10到20秒的稳定时间。假如在电桥R1、R2、Rd调整的时候，能够保证Rx的电压不变，那将大大的提高测试速度。而Rx电压不变，就要求从Rx看指零仪G，输入为低阻抗，最好是以短路形式测试的。另外，短路法测试可以吸收最大的电流。

E、输出方便
对于手动调节电桥平衡的，输出最好是指针式的，中心零点，直观方便；
对于自动电桥，直接输出不平衡信号电压，这样就可以实现双电压高阻桥的自动调整功能。

F、可以悬浮使用
即要求检流计的正负输入对称，对地为超高阻，这样才能排除内部漏阻的影响。一般来讲，只要电池供电的检流计才可以满足这个要求，交流电供电的很难解决变压器漏电和干扰的问题，后加隔离变压器也太复杂，漏阻也不一定能满足超高阻测试的要求。

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一款新型检流计的设计

先上电路图：


这款指零仪具有超高的电流灵敏度、可以悬浮使用、无需换档、短路法测试、双输出，因此几乎满足了超高阻测试对指零仪的所有要求。

电源用±3V或±2.5V，由两只HT7130通过9V电池得到，或者用HT7150加上运放分压。
由于高阻桥对指零仪的电压灵敏度要求不高，因此这里采用了单级运放反馈放大的方式，可以满足需要。

但另一方面，高阻桥对指零仪的电流灵敏度要求非常高，否则就分辩不出高阻的微小变化。因此，必须采用Ib非常小的静电运放，可以选择的有LMC6001A、LMC6042A、LMC6062A、LMP7721。反馈电阻也取得尽量大（这里用了1T），这样，就可以满足电桥对检零计的要求。

其实这个电路最重要的，是引入了正偏背靠背的两只二极管反向并联，作为反馈元件的一部分。由此，形成双向对数限位器。
Q1、Q2要求正向内阻超高，经过仿真实验选择了2N5550，实际我要选择9014，这管子实测其be正向压降很接近理想二极管，在0.1V下电流不超过0.5pA。
事实上，某些小信号三极管的be节的的I-V曲线具有对数特性，这个电路实际上是个双方向的对数I-V转换器，而且通过1T超高阻解决了零点过渡，这样既有非常大的动态范围（7个数量级），同时又保持了最高的灵敏度。从刻度上，在1E-6到5E-12的电流范围内，具有对数特性，而在零点附近，保持了极高的灵敏度，最小可以分辨到3E-14（即0.03pA，相当于12mV），使得检测极高电阻的微小失衡成为可能。



输入低于0.5pA后，输出有快速下降的趋势，这主要是正向有饱和现象，即出现了近恒流状态。这个恒流电流越小，灵敏度就越高。

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元件选择

运放的选择
Ib要非常小，至少是<25fA的，这样就可以不成为任何瓶颈，便于将来升级。几款LMC系列的都达到这个要求；Vos也要小一些好。尽管高阻测试的电压的都偏高，例如100V电压下有0.5mV的Vos，能引起误差是0.01%，要求不很高的场合也差不多了。但是，有时需要测试低压比去10V下的电阻，此时Vos就不能忽略了。尽管可以通过调零来基本消除Vos的影响，但小Vos的运放的温度系数和老化等参数也低。Vos很小的静电运放，有LMP7721，典型Vos=25uV，Ib也非常小保证不超过20fA。其它运放，要求不很高的场合下选Vos<2mV的即可
耗电要小，这样电池供电时就很节省，LMC6042、LMC6062都可以，几十微安；
电源压较低，可以用5V供电，CMOS的都可以。

三极管的选择
这个是关键元件，一定要选择正向小电压下，电流小者。
按照理论公式计算，理想二极管在0.1V的正向压降下有大约1pA的电流，而在0.03V的情况下，有0.1pA。这两个点决定了此指零仪的最高灵敏度，因此一定要筛选好，接近这理论值是最好的，这样才能保证有0.1pA的灵敏度。

输出的方式
输出可以用模拟表头，中心为零，双向满度50uA的那种，总阻抗5k的话满度250mV，总分度50，可以分辨10mV。由于30mV对应0.1pA，因此此时有3格，或者说1格的时候可以分辨出大约0.05pA。这种指针的方式主要是配合手动电桥用的，当然，在自动的方式下，可以保留指针表，作为直观的零点确认。
输出也可以是信号的，-250mV到+250mV，超量程可以达到-600mV到+600V，用于自动电桥。

其它没什么特别的了，因为二极管有漏阻和饱和电流因此1T电阻可以不要，二极管也有电容因此2pF也自然可以省略。
另外，由于用于放大的运放在这种极端场合下表现难于理想，因此还需引入两个调节/调零，分别抵消Vos和Ib。



其中，分压串已地电位为零点，分出两个微调电源。电位器R8用了内部的一个电压小的，用于补偿Vos的变化，调节的时候把V1短路、R3选小阻值，调节R8使得输出接近0，这样输入点就非常接近零电位了。
然后保存V1短路，R3选个大阻值，调节R9使得输出为零，这样R13引入的额外偏流就会补偿Ib。
如果要求不太高，这两个电位器调节一次以后就不用动了，因为对于某个具体运放，Ib尤其是Vos是基本固定的。但若要求比较高，时间久了或温度变化大了，Vos还是会有少许变化，Ib可能变化会更大一些，这样就需要把这两个电位器设计成便于调节的方式，但不建议放在面板上，以免偶然误调反而会得到相反的结果。

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组装与初试


。。。。。。。。

lymex

高阻桥中的使用

。。。。。

lymex

保留一贴

lymex

【全文完】

梦幻数码

第一个观众

baof

难得我这么早就来听课

qinchang

抢个靠前的座位！

kentli

老师又有大作了

hydz

前排抢位
刚好想了解点电桥知识

ysfc51

准备听课了

cuison

前来听课

zy_sh_npk

老大又要出新文章了。准备
用NULL玩电阻了!

王珏

来学习。

yjm2000

还在第一页，我的AZ19也是国产经典产品！

zjinkui

哈哈，管理员已经掉第二页了

zoo

发沙没有了。js也跑到前面去了！
席地而坐，看小黑板！！

linfulin

半夜听课

zxmb

学习，关注

longshort

用对数方式覆盖全范围的量程，非常棒！不过二极管对的温度系数似乎对刻度还是有些影响的，恐怕要进行一定的补偿。

wdexpert

一早起来听课。

data

我也来听课哈哈

liulh

搬个板凳听课

hldiy

又有新东西可以学习了，开心。。。